一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法及系统

本发明涉及等离子体的电磁特性确定领域，特别是涉及一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着航空航天技术的突飞猛进，在技术发展过程中发现很多航空航天活动以及技术中会接触到等离子体。由于等离子体是一种复杂有耗的色散介质，会对电磁波产生强烈的反射、吸收作用，从而对相关技术的效能和发展产生较大的影响。此外，实际情况下等离子体的电子密度等参数通常都是随时间变化的，而且在不同的场景条件下，变化的方式多种多样。时变等离子体对反射信号的影响除了吸收衰减作用以外，还会使反射信号的频谱出现杂散以及交叉调制效应。由于反射信号的频谱发生变化，会对某些依靠频谱信息来获得测距、测速等信息的雷达产生较为严重的影响，使测距出现假目标、测距精度低的问题，从而造成地面站对目标的测量不准确或混淆。综上所述，研究等离子体对电磁波的反射及散射等特性具有重要意义。

2、对于电磁波在等离子体中的传播，研究人员对其进行了广泛而深入的研究。主要可以分为三种大类：解析求解方法、wkb近似求解方法和数值求解方法。解析求解方法能够对特定结构的电磁问题给出精确解，但对复杂电磁目标的求解显得束手无策。wkb方法进一步拓展了解析方法的应用范围，该方法更适用于等离子体参数变化缓慢情况下的电磁问题的分析，应用范围有限。

3、随着计算机技术的快速发展，数值解方法在处理复杂电磁问题方面起到了关键作用，常用的数值计算方法有mom方法、fem方法、dgtd方法以及具有时间和空间二阶计算精度的fdtd(2,2)方法等。这其中，fdtd方法具有适用范围广、易于并行计算、程序通用性强等特点，并且可处理复杂目标体和非均匀介质等电磁问题，已成为目前电磁理论研究的一个热点。近几十年，研究报道了许多利用fdtd方法进行复杂色散媒质的电磁建模仿真方面的研究成果。例如，采用递归卷积fdtd方法(recursive convolutionfdtd，rc-fdtd)处理等离子体媒质。然后，一些改进的色散fdtd方法，包括plrc-fdtd方法以及trc-fdtd方法用于提高rc-fdtd方法的数值计算精度。此外，对于具有各向异性的等离子体模型，在基于fdtd方法的计算框架下，学者们也提出了一些处理等离子体模型十分有效的方法，包括ade方法，jec方法，以及矩阵指数(me)方法。其中me方法可以将麦克斯韦方程和相关的本构关系方程组合成一个一阶微分矩阵系统，然后通过求解该矩阵便可以方便的导出数值迭代方程，避免了复杂的卷积运算,数值实现较为容易。

4、虽然fdtd在复杂色散媒质的建模方面具有简单、通用灵活等特点，然而，传统fdtd方法在时间和空间维度只具有二阶数值计算精度，计算精度较差，难以实现对具有复杂结构和介电属性电磁目标的精确模拟。特别是对于时变等离子体这种具有各向异性及复杂色散特性的媒质，往往需要采用较为精细的网格尺寸才能满足计算精度要求。然而网格分辨率的增加会导致计算内存的急剧增加，同时由于fdtd方法所具有的显式迭代特点，较小的网格尺寸会限制时间步长的取值范围，导致计算效率降低。总的来说，基于传统fdtd方法的时变等离子体媒质的电磁特性仿真，计算效率和计算精度往往难以兼顾。

5、为了提高传统fdtd方法的数值计算效率，一些无条件稳定及弱条件稳定的fdtd方法被开发出来用于电磁仿真，包括adi-fdtd方法，lod-fdtd方法，ah-fdtd方法，hie-fdtd方法，空间滤波fdtd方法。这些方法突破了传统fdtd方法中网格尺寸对时间步长大小限制，具有较高的数值计算效率。然而这些无条件的fdtd方法往往需要复杂、繁琐的公式推导以及边界条件加载困难等，因此数值实现难度较大。另一种可行的方法是采用在空间上具有高阶数值计算精度的fdtd(2,4)方法，fdtd(2,4)方法保留了传统fdtd(2,2)方法计算灵活性的特点，又可以在采用较低的网格分辨的情况下获得较为精确的数值计算结果，因此可以有效提高数值计算效率。然而，高阶fdtd(2,4)方法需要满足更加严格的courant-friedrich-levy(cfl)条件。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法及系统，能够精确地得到各向异性时变等离子体的电磁特性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法包括：

4、获取动态等离子体中电场信息、磁场信息和极化电流密度信息；

5、根据所述电场信息、磁场信息和极化电流密度信息，建立矩阵形式的一阶微分方程；

6、采用m级p阶显式辛积方法近似所述一阶微分方程，并对导出的指数算子进行泰勒技术展开，得到辛数值离散公式；

7、对所述辛数值离散公式中包含时间积分项的指数矩阵系数项采用me方法进行展开，同时对空间偏导数采用4阶差分方法进行离散处理，得到各向异性时变等离子体的电磁特性。

8、为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

9、一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定系统包括：

10、电磁信息获取模块，用于获取动态等离子体中电场信息、磁场信息和极化电流密度信息；

11、一阶微分方程建立模块，用于根据所述电场信息、磁场信息和极化电流密度信息，建立矩阵形式的一阶微分方程；

12、辛数值离散公式确定模块，用于采用m级p阶显式辛积方法近似所述一阶微分方程，并对导出的指数算子进行泰勒技术展开，得到辛数值离散公式；

13、电磁特性确定模块，用于对所述辛数值离散公式中包含时间积分项的指数矩阵系数项采用me方法进行展开，同时对空间偏导数采用4阶差分方法进行离散处理，得到各向异性时变等离子体的电磁特性。

14、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

15、本发明提供一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法。该方法包括：获取动态等离子体中电场信息、磁场信息和极化电流密度信息；根据所述电场信息、磁场信息和极化电流密度信息，建立矩阵形式的一阶微分方程；采用m级p阶显式辛积方法近似所述一阶微分方程，并对导出的指数算子进行泰勒技术展开，得到辛数值离散公式；对所述辛数值离散公式中包含时间积分项的指数矩阵系数项采用me方法进行展开，同时对空间偏导数采用4阶差分方法进行离散处理，得到各向异性时变等离子体的电磁特性。本发明能够精确地得到各向异性时变等离子体的电磁特性。

技术特征：

1.一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法，其特征在于，所述获取动态等离子体中电场信息、磁场信息和极化电流密度信息，具体包括：

3.根据权利要求2所述的各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法，其特征在于，所述根据所述电场信息、磁场信息和极化电流密度信息，建立矩阵形式的一阶微分方程，具体包括：

4.根据权利要求3所述的各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法，其特征在于，所述采用m级p阶显式辛积方法近似所述一阶微分方程，并对导出的指数算子进行泰勒技术展开，得到辛数值离散公式，具体包括：

5.一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的各向异性时变等离子体的电磁特性确定系统，其特征在于，所述电磁信息获取模块，具体包括：

7.根据权利要求6所述的各向异性时变等离子体的电磁特性确定系统，其特征在于，所述一阶微分方程建立模块，具体包括：

8.根据权利要求7所述的各向异性时变等离子体的电磁特性确定系统，其特征在于，所述辛数值离散公式确定模块，具体包括：

技术总结
本发明涉及一种各向异性时变等离子体的电磁特性确定方法及系统。该方法包括：获取动态等离子体中电场信息、磁场信息和极化电流密度信息；根据所述电场信息、磁场信息和极化电流密度信息，建立矩阵形式的一阶微分方程；采用m级p阶显式辛积方法近似所述一阶微分方程，并对导出的指数算子进行泰勒技术展开，得到辛数值离散公式；对所述辛数值离散公式中包含时间积分项的指数矩阵系数项采用ME方法进行展开，同时对空间偏导数采用4阶差分方法进行离散处理，得到各向异性时变等离子体的电磁特性。本发明能够精确地得到各向异性时变等离子体的电磁特性。

技术研发人员：谢国大,侯桂林,邓学松,任信钢,牛凯坤,黄志祥
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5